一種用于地面散射特性分析的同步測試系統(tǒng)

徐敏杰,張永棟,翟嘉琪,張 宇,陰 鵬

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

一種用于地面散射特性分析的同步測試系統(tǒng)

徐敏杰,張永棟,翟嘉琪,張 宇,陰 鵬

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

基于G語言開發(fā)環(huán)境，以激光測距傳感器、功率計(jì)探頭作為外部采集設(shè)備研制了一套用于地面散射特性分析的同步測試系統(tǒng);該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)同步采集輻射場功率信息與接收天線高度信息的基礎(chǔ)上，給出地面散射影響程度，具有同步精度高、自動(dòng)化快速測量等優(yōu)點(diǎn);為驗(yàn)證所研制的測試系統(tǒng)的可靠性，開展小尺度地面散射測試實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致。

地面散射；同步；測試系統(tǒng)

0 引言

在外場開展微波源系統(tǒng)等效輻射功率和總功率測試時(shí)[1]，需開展地面散射測試給出接收天線架設(shè)高度以減小地面散射的影響。地面散射測試,通常利用接收天線、功率計(jì)探頭及升降設(shè)備來采集輻射場功率信息和接收天線架設(shè)高度信息，給出地面散射影響程度與天線架設(shè)高度的關(guān)系，測試方式可分為定點(diǎn)測試和連續(xù)測試，定點(diǎn)測試方式在采集功率信息的同時(shí)人工判讀給出高度信息，此種方式缺乏測試連續(xù)性，測試效率較低；連續(xù)測試方式可連續(xù)實(shí)時(shí)采集升降設(shè)備升降過程中的功率信息，但無法實(shí)時(shí)獲取高度信息。因此傳統(tǒng)的地面散射測試方式無法實(shí)時(shí)連續(xù)采集功率信息與高度信息，測量效率較低，且采樣點(diǎn)數(shù)較少。本文的研究目標(biāo)是利用可移動(dòng)升降裝置，以激光測距傳感器、功率計(jì)探頭作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，研制一套地面散射測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輻射場功率信息與位置信息的同步采集[2]，提高地面散射測試效率。

1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)測試系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成，分別為硬件采集模塊、軟件處理模塊和圖形化顯示模塊。硬件采集模塊作為輸入接口負(fù)責(zé)物理量的采集與解析；軟件處理模塊作為運(yùn)算核心負(fù)責(zé)組織接收解析數(shù)據(jù)并進(jìn)行同步處理；圖形化交互界面作為人機(jī)交互平臺(tái)負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)狀態(tài)、測試結(jié)果以及控制指令發(fā)送。系統(tǒng)組成及模塊間關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成及模塊間關(guān)系示意圖

1.1 硬件采集模塊

硬件采集模塊由功率測量設(shè)備和距離測量設(shè)備組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射場功率信息及測量點(diǎn)所在位置信息的數(shù)據(jù)采集，外部硬件采集設(shè)備具備信號(hào)處理功能，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以USB/RS-232串口等接口定義將數(shù)據(jù)傳輸至軟件處理模塊，如圖2所示。

圖2 硬件采集模塊組成示意圖

1.2 軟件處理模塊

軟件處理模塊基于G語言開發(fā)環(huán)境，編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件采集模塊的控制，該模塊具備了對(duì)兩路測量數(shù)據(jù)同步接收[3]、實(shí)時(shí)保存的功能，同時(shí)將所采集的兩路數(shù)據(jù)做進(jìn)一步優(yōu)化處理，并繪制功率-位置信息關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 軟件處理模塊組成示意圖

1.3 圖形化交互界面

圖形化交互界面主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊狀態(tài)與測量信息顯示，以及提供用戶對(duì)測試數(shù)據(jù)分析和對(duì)采集設(shè)備控制的操作平臺(tái)，分為數(shù)據(jù)采集區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)、測量控制區(qū)、處理顯示區(qū)4個(gè)功能區(qū)域，如圖4所示。

圖4 交互界面示意圖

數(shù)據(jù)顯示區(qū)域主要顯示兩路相互獨(dú)立的外部測量設(shè)備數(shù)據(jù)采集結(jié)果，得出測量幅值與采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系曲線，主要功能為監(jiān)測外部采集設(shè)備數(shù)據(jù)采集狀態(tài)是否正常；狀態(tài)顯示區(qū)域主要顯示兩路外測設(shè)備的工作狀態(tài)，包括激光測距傳感器串口配置狀態(tài)、功率計(jì)測量配置參數(shù)顯示、校準(zhǔn)狀態(tài)顯示、當(dāng)前兩路外測設(shè)備采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等功能；測量控制區(qū)域是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心控制區(qū)域，主要有外測設(shè)備測試模式設(shè)置、參數(shù)配置、開關(guān)控制、測試系統(tǒng)初始條件設(shè)置等功能；數(shù)據(jù)分析區(qū)域是整個(gè)測試系統(tǒng)的測試結(jié)果顯示分析區(qū)域，顯示形式為兩路數(shù)據(jù)經(jīng)同步優(yōu)化處理后的功率-位置信息關(guān)系曲線。

2 測試系統(tǒng)組成與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件采集模塊組成

在硬件采集模塊中，功率測量設(shè)備為功率計(jì)探頭，可實(shí)現(xiàn)頻率范圍50 MHz～18 GHz、功率范圍-60 dBm～+20 dBm的信號(hào)測量，其供電及數(shù)據(jù)傳輸共用一個(gè)USB接口；距離測量設(shè)備為激光測距傳感器，最大測量距離可達(dá)60 m，具備單點(diǎn)測量和連續(xù)測量功能，供電方式為12～18 V直流供電，數(shù)據(jù)接口為串口RS-232協(xié)議，硬件采集模塊設(shè)備如圖5所示。

圖5 硬件采集設(shè)備實(shí)物圖

2.2 測試系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)同步采集流程

系統(tǒng)軟件同步采集流程如圖6所示，在進(jìn)行同步測量前需對(duì)兩路外測設(shè)備進(jìn)行串口參數(shù)、測量參數(shù)進(jìn)行配置，確保設(shè)備與上位機(jī)連接并且工作正常。根據(jù)設(shè)備通訊協(xié)議在測量控制區(qū)發(fā)送相應(yīng)的控制指令，并實(shí)時(shí)接收外部采集設(shè)備的回饋指令，從中解析測量數(shù)據(jù)。測量開始后，軟件進(jìn)入同步測量循環(huán)進(jìn)行兩路數(shù)據(jù)的同步接收，在數(shù)據(jù)采集區(qū)繪制硬件采集模塊各路測量值與采樣點(diǎn)的關(guān)系圖，在處理顯示區(qū)繪制處理后的功率-位置信息關(guān)系曲線，在狀態(tài)顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示外部硬件采集設(shè)備數(shù)據(jù)采集及工作狀態(tài)[3]，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)以文本形式實(shí)時(shí)保存，用于后期進(jìn)一步分析。

圖6 軟件數(shù)據(jù)同步采集流程圖

2.3 數(shù)據(jù)同步采集特性分析

在圖6所示的軟件同步采集流程中，進(jìn)入測量循環(huán)的觸發(fā)條件為上位機(jī)(控制計(jì)算機(jī))是否接收到測距傳感器上傳的高度數(shù)據(jù)，即每當(dāng)上位機(jī)接收到高度數(shù)據(jù)時(shí)，功率計(jì)探頭被控制觸發(fā)進(jìn)入測量模式，經(jīng)時(shí)間Tp功率測量完畢并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)上傳至上位機(jī)，兩路數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)的時(shí)間關(guān)系如圖7所示，此時(shí)上位機(jī)接收到的高度數(shù)據(jù)和功率數(shù)據(jù)將被認(rèn)為是兩路同步數(shù)據(jù)。

圖7 兩路同步數(shù)據(jù)采集時(shí)間關(guān)系圖

其中，Th為激光測距傳感器測量周期，Tp為進(jìn)行一側(cè)功率測量所用的時(shí)間，兩者需滿足Tp

在連續(xù)波信號(hào)測量模式中，功率計(jì)探頭完成一次功率測量所用的時(shí)間Tp是由采樣點(diǎn)積分時(shí)間t和平均濾波個(gè)數(shù)N所決定的，當(dāng)設(shè)置單個(gè)采樣點(diǎn)的積分時(shí)間為t=6 ms、平均濾波個(gè)數(shù)N=8個(gè)時(shí)，那么完成一次功率測量需要的時(shí)間為：

Tp=2×N×(t+0.3)+1.6=97.808 ms

(1)

上位機(jī)接收兩路數(shù)據(jù)的時(shí)間差ΔT即可認(rèn)為是同步時(shí)間精度，可概括為：

ΔT=Tp

(2)

綜上所述，同步測試系統(tǒng)采樣周期T=Th，即激光測距傳感器數(shù)據(jù)采集周期確定了同步測試系統(tǒng)的測試周期；兩路數(shù)據(jù)在時(shí)間上的同步精度ΔT=Tp，即功率計(jì)探頭完成一次功率測量所用的時(shí)間可確定測試系統(tǒng)的時(shí)間同步精度。且必須滿足Tp

T=n·Th

(3)

2.4 連續(xù)波信號(hào)注入實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證軟件對(duì)儀器控制的可行性，在室內(nèi)開展了連續(xù)波信號(hào)注入實(shí)驗(yàn)，即功率信息直接由信號(hào)源輸出，如圖8所示。

圖8 室內(nèi)連續(xù)波信號(hào)注入實(shí)驗(yàn)

2.4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

功率信號(hào)源為安捷倫E8257D信號(hào)源，通過R&S-Z81功率計(jì)探頭與信號(hào)源直連實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)注入，激光測距傳感器由12V直流電壓源供電，兩路采集設(shè)備分別通過USB接口、串口RS-232接口與控制計(jì)算機(jī)相連，在控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行同步測試軟件并對(duì)接入的兩種測量設(shè)備進(jìn)行分別端口配置，實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算機(jī)對(duì)兩路外測設(shè)備的通訊連接及參數(shù)設(shè)置。其中，激光測距傳感器需要進(jìn)行開機(jī)、關(guān)機(jī)、連續(xù)測量、單次測量等功能控制；功率計(jì)探頭需要進(jìn)行頻率選擇、積分時(shí)間、平均濾波個(gè)數(shù)、校準(zhǔn)等參數(shù)設(shè)置。

2.4.2 參數(shù)配置

在開展同步測試前需對(duì)參數(shù)進(jìn)行配置，確保儀器設(shè)備正常工作及采集數(shù)據(jù)符合測試要求，實(shí)現(xiàn)精確、有效的地面散射同步測試。

(1)信號(hào)源：工作模式為連續(xù)波輸出、輸出頻率為9.7GHz、初始輸出幅值為-20dBm。

(2)功率計(jì)探頭：測量頻率設(shè)置要求與信號(hào)源輸出頻率始終保持一致，積分時(shí)間為3ms，濾波個(gè)數(shù)為8。確保單次測量時(shí)間在100ms以內(nèi)，即優(yōu)于10Hz的同步采集頻率，設(shè)置完成后需進(jìn)行校零。

(3)激光測距傳感器：開機(jī)進(jìn)入連續(xù)測量模式。

2.4.3 注入實(shí)驗(yàn)

參數(shù)配置完成后，信號(hào)源開啟信號(hào)輸出，打開激光測距傳感器并控制選擇連續(xù)測量模式，開啟“開始采集”按鈕，同步測試開始。利用反光板反射激光輔助測距傳感器測距，手持反光板由近至遠(yuǎn)移動(dòng)模擬測量點(diǎn)的上升過程；控制信號(hào)源輸出幅值在-20～-10dBm之間平穩(wěn)變化，模擬測量點(diǎn)在上升過程中的地面散射影響。

同步測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)兩路外測設(shè)備采集及同步處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與保存，保存的數(shù)據(jù)文本格式如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同步測試軟件可對(duì)激光測距傳感器及功率計(jì)探頭進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程控制，并能夠?qū)x器設(shè)備下傳的測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理及顯示。

圖9 測量數(shù)據(jù)文本保存格式

通過注入試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測試軟件對(duì)激光測距傳感器及功率計(jì)探頭的遠(yuǎn)程控制，并能夠?qū)x器設(shè)備下傳的測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理及顯示，具備了開展地面散射同步測試條件。

3 X波段連續(xù)波地面散射驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 地面散射特性理論分析[4]

為分析比較測試系統(tǒng)的可靠性，需對(duì)地面散射特性進(jìn)行分析，在存在地面電磁散射場影響條件下，接收點(diǎn)處的電場主要由直達(dá)波和地面散射場構(gòu)成，如圖10所示。

圖10 觀察點(diǎn)處的電場主要組成

圖10中P為發(fā)射天線，P′為P的鏡像，Q為接收天線。發(fā)射天線架設(shè)高度為h1，接收天線架設(shè)高度為h，發(fā)射和接收天線的架設(shè)距離為d，φ角為入射角，L1為直達(dá)波電波傳播行程，L2為反射波電波傳播行程，入射波波長λ。入射電磁波表達(dá)式為:

E=E0cos(ωt-kd)

(3)

根據(jù)場疊加原理，觀察點(diǎn)總場E表達(dá)式為：

(4)

(5)

將式(5)上下兩式相減，則可以推導(dǎo)出：

(L2-L1)·(L2+L1)=4h·h1

(6)

當(dāng)測試距離較遠(yuǎn)且天線架設(shè)高度較低時(shí)，假定L1≈L2≈d，那么式(6)可以進(jìn)一步簡化為：

(7)

接收點(diǎn)高度上散射影響曲線對(duì)應(yīng)的振蕩周期即為反射波直達(dá)波波程差為λ時(shí)接收點(diǎn)垂直高度差，有如下表達(dá)式：

(8)

將式(8)上下兩式相減，得到接收點(diǎn)高度上散射影響振蕩曲線對(duì)應(yīng)的變化周期表達(dá)式如下：

(9)

3.2 室內(nèi)連續(xù)波地面散射分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證同步測試系統(tǒng)的功能性，展開了室內(nèi)輻射場地面散射實(shí)驗(yàn)，與注入法比較，此次實(shí)驗(yàn)加入、液壓升降平臺(tái)、X波段角錐喇叭天線，其中，發(fā)射端天線經(jīng)射頻線纜與X波段寬帶功率放大器相連，放大器再與信號(hào)源相連，并由天線支架置于某一固定高度；接收天線置于液壓升降平臺(tái)頂端，經(jīng)波同轉(zhuǎn)換與功率計(jì)探頭連接，激光測距傳感器安裝在液壓升降平臺(tái)中部，口面朝上，平臺(tái)頂部安裝反光板輔助激光測距傳感器測距，其余連接方式按注入法實(shí)驗(yàn)連接。測試系統(tǒng)布局和現(xiàn)場試驗(yàn)照片如圖11所示。

圖11 X波段連續(xù)波輻射場地面散射實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)條件搭建測試系統(tǒng)，控制液壓升降桿平穩(wěn)升降，打開同步測試軟件，設(shè)置初始條件，點(diǎn)擊“開始采集”按鈕，數(shù)據(jù)開始同步采集并實(shí)時(shí)保存，測試結(jié)果如圖12所示。分別在測量頻率9.44GHz、10GHz，發(fā)射天線架高1.69m、1.2m，收發(fā)天線18m、30m的條件下進(jìn)行。其中，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。通過調(diào)用儲(chǔ)存好的實(shí)測數(shù)據(jù)與經(jīng)MATLAB按雙射線法計(jì)算的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如圖13所示，其中f為信號(hào)頻率，d為收發(fā)天線水平間距，h為發(fā)射天線架高。

圖12 測試系統(tǒng)軟件顯示界面

名稱參數(shù)設(shè)置E8257D信號(hào)源頻率：9～10GHz模式：連續(xù)波幅值：+16dBmX波段寬帶放大器增益：40dB激光測距傳感器架高：0．85m采樣頻率：10Hz供電：12VDC液壓升降桿供電：24VDC升降高度：1．7m～2．6m升降速度：≈0．01m/sR&S-Z81功率計(jì)探頭積分時(shí)間：6ms濾波個(gè)數(shù)：8收發(fā)天線增益：12dB發(fā)射天線架高：1．69m(1．2m)收、發(fā)天線水平距離：18m(30m)

通過調(diào)用軟件所實(shí)時(shí)保存的測試數(shù)據(jù)，計(jì)算得出實(shí)際測量的地面散射周期，與理論周期作比較結(jié)果如表2所示。

圖13 實(shí)測結(jié)果與理論值對(duì)比圖

序號(hào)實(shí)測周期/m理論周期/m(a)0．280．28(b)0．390．40(c)0．170．17(d)0．160．16

以上結(jié)果基本滿足地面散射高度周期：

其中:λ為信號(hào)波長，散射影響與理論計(jì)算值相近，以上數(shù)據(jù)驗(yàn)證了同步測試系統(tǒng)的功能性及可靠性。

4 結(jié)論

基于G語言開發(fā)環(huán)境，研制了一套可用于地面散射特性分析的同步測試系統(tǒng)。完成了同步測試系統(tǒng)平臺(tái)的搭建，并開展地面散射測試對(duì)測試系統(tǒng)的功能性與可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)該系統(tǒng)可用于小功率信號(hào)地面散射測試，具備實(shí)時(shí)同步測試功能，測試結(jié)果與理論計(jì)算基本一致。

(2)系統(tǒng)時(shí)間同步精度可達(dá)10ms，同步精度上限取決于功率測量設(shè)備單點(diǎn)測量時(shí)間。

(3)同步測試頻率可達(dá)10Hz，頻率上限取決于距離測量設(shè)備最高采樣率。

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A Synchronous Measurement System Designed for Ground Scattering Characteristics Analysis

Xu Minjie，Zhang Yongdong，Zhai Jiaqi，Zhang Yu，Yin Peng

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China )

The Article introduces a set of synchronous measurement system for the ground scattering characteristics which is based on the G language development environment and takes laser range finder and power meter as the external acquisition equipment . The system that contains the information processing part for the power of radiated field and the height of receiving antenna can give the ground scattering coefficients quickly and high precision. In order to verify the reliability of this system, the experiment for ground scattering has been carried out. The results show that measured scattering coefficients agree with the given model.

ground scattering; synchronous; adaptive; measurement system

2016-12-13；

2017-01-05。

徐敏杰(1992-)，男，上海人，助理工程師，主要從事儀器控制方向的研究。

1671-4598(2017)05-0083-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.023

TP3

A